防風閘高轉速加閘雙重閉鎖回路開發與應用

國網新源集團有限公司富春江水力發電廠 徐 方 余江燁

某水電站是一座低水頭河床式電站，大流域，小水庫是其顯著的特點，為日調節水庫。電站裝機6臺，總裝機容量360MW，設計多年平均發電量9.23億kWh。電廠以發電為主，主要擔負華東電網調峰、調頻及事故備用任務，對電網的穩定運行、提高供電質量具有重要的作用。同時，電站兼有防洪減災、航運、灌溉、抗咸頂潮等綜合效益。

在水輪機組的停機過程中，如果在高轉速下投入制動閘，由于高速摩擦會使制動閘磨損，還會產生粉塵污染定子、轉子及發電機的其他設備如果在很低的轉速下投入制動閘，由于低轉速下轉速下降時間過長，會導致機械磨損加劇，引起推力軸承及導軸承中潤滑油膜變薄或遭受破壞，使潤滑條件出現惡化，致使軸瓦磨損，嚴重時會燒壞軸瓦[1]。因此，合理的方式是在機組停機過程中，當轉速下降到一定程度時必須進行強迫制動，以便機組能在較短時間內停下來。某發電廠6臺機組均為立式水輪機，采用的強迫制動方式為風閘制動，即采用壓縮空氣作為強迫制動的能源來推動制動閘。

1 概述

1.1 高轉速加閘的危害

運行中的水輪機組的動能為：E=(1/2)×J×ω2（J 為機組的轉動慣量，ω 為機組的轉動角速度），在機組轉速降低至風閘制動投入的定值前，機組運轉時的動能全部消耗在克服自由制動力矩（即機組的推力軸承和導軸承的摩擦力矩、發電機轉子對空氣的摩擦力矩與水輪機轉輪對水或空氣的摩擦力矩）上[2]。而如果在機組高轉速時就投入制動風閘，會對機組造成嚴重的危害。

首先會使風閘片磨損，如果持續時間長會使風閘發熱而破損，而機組風洞內強烈的氣流會使產生的碎片傷害到風洞內其他設備。其次劇烈的摩擦還會產生大量的煙塵，和機組風洞內的水汽、油霧混合并附著在機組定子、轉子等設備表面，使其絕緣下降。高轉速加閘時機組的轉動部分會產生較大的阻力，嚴重時會使導軸瓦損壞，而如果溫度過高甚至會引起火災事故，造成迫性檢修和慘重的經濟損失。高轉速加閘會使機組處于逆功率運行狀態，如果吸收的有功功率較大，會造成機組振擺變大，對機組的安全穩定運行產生不利的影響[3]。

1.2 高轉速加閘原因分析

團隊人員從人員、設備、管理等多個角度進行分析，總結出了以下三點原因，同時也是機組運行的安全隱患：一是人為誤操作。運行人員或檢修人員操作時誤動手動啟風閘按鈕，如果此時機組轉速大于25%，就會導致高轉速加閘事故。二是轉速裝置接點誤動作。某發電廠程序閉鎖回路依靠的是轉速測速裝置來實現流程的閉鎖，如果測速裝置發生故障，如上送現地控制單元的接點誤動作，就會導致高轉速加閘事故。三是開出繼電器觸點誤動作。當現地控制單元流程執行后，即實際程序閉鎖功能正常時，如果開出繼電器故障導致開接點誤動作，也會導致高轉速加閘事故[4]。

經過分析，團隊人員發現單獨依靠程序閉鎖控制回路的可靠性不足，為了有效防止高轉速加閘事故的發生，需要設計出更可靠的控制回路。

2 改進原理及對比

2.1 原使用的程序閉鎖部分原理

圖1為某發電廠PLC 程序中設計的空轉-停機流程圖。方框所示為原使用的程序閉鎖部分原理：當現地控制單元中流程走至“空轉-停機”，停機令開出至電調，30s 內滿足導葉全關條件后，利用監控系統檢測到滿足機組轉速＜25%和＜45%，并且＞5%條件時，啟動正常的停機頂風閘流程；如果轉速條件不滿足，則提示報警并退出流程。

圖1 空轉-停機流程圖

2.2 新增電氣控制閉鎖回路原理

根據國家電網公司反事故措施條款“測速裝置出現故障時，調速器應具有完善的容錯功能。測速裝置軟件應具備故障自診斷功能，全部裝置故障時輸出報警信號，防止發電機高速加閘和飛逸。”要求，班組成員、相關技術人員協同相關部門領導一同分析，并結合某發電廠實際情況，綜合研究，設計出符合本廠發電機組運行要求，并能實現防止發電機風閘高轉速加閘的程序與電氣控制回路雙重閉鎖功能的方案，并在其他機組LCU 改造中實施該方案，通過多方面模擬檢測閉鎖功能切實有效，并在后續的其他機組改造中加以推廣實施。

原有的高轉速加閘程序閉鎖功能，可能會存在人為手動誤加閘和轉速裝置接點誤動作、開出繼電器DO86故障接點誤開出的安全隱患。因此，為消除此安全隱患，新方案是在發電機風閘頂起的開出電氣控制回路內增加一付由轉速裝置開出的轉速＜25%的無源接點（原防止高轉速加閘程序閉鎖使用的是轉速裝置的有源接點），作為允許發電機風閘頂起的電氣控制回路閉鎖接點（該接點是當機組轉速下降到＜25%時，接點接通，開放發電機風閘頂起電磁閥的電氣控制回路），實現監控系統對風閘頂起開出控制電氣回路上的閉鎖，保證機組風閘只有在轉速＜25%才允許開放頂風閘電磁閥動作回路[5]。也能有效防止人為誤操作（誤操作手動頂風閘按鈕），頂風閘開出繼電器DO86接點誤動作，導致的發電機風閘高轉速加閘情況，保障發電機的安全穩定運行。

2.3 原理對比

原風閘開出電氣控制回路原理（如圖2所示）：DO86為頂風閘開出繼電器，為程序閉鎖回路中的執行元件，即在正常停機流程中當轉速滿足條件＜25%且＜45%且＞5%時，該接點會閉合，風閘頂起。

圖2 原風閘開出電氣控制回路原理圖

現風閘開出電氣控制回路原理（如圖3所示）：由于程序閉鎖中使用的是轉速裝置的單獨一副有源接點，可靠性不足，且原有的高轉速加閘程序閉鎖功能可能會存在人為手動誤加閘和轉速裝置接點誤動作、開出繼電器故障DO86接點誤開出的安全隱患。為消除此安全隱患，新方案（圖3藍框）是在發電機風閘頂起的開出電氣控制回路內增加一付由轉速裝置開出的轉速＜25%的無源接點（原防止高轉速加閘程序閉鎖使用的是轉速裝置的有源接點）作為允許發電機風閘頂起的電氣控制回路閉鎖接點（該接點是當機組轉速下降到＜25%時，接點接通，開放發電機風閘頂起電磁閥的電氣控制回路），實現監控系統對風閘頂起開出控制電氣回路上的閉鎖，保證機組風閘只有在轉速＜25%才允許開放頂風閘電磁閥動作回路，也能有效防止人為誤操作（誤操作手動頂風閘按鈕），頂風閘開出繼電器DO86接點誤動作，導致的發電機風閘高轉速加閘情況，保障發電機的安全穩定運行。

圖3 現風閘開出電氣控制回路原理圖

通過對比，團隊人員認為，通過新增的電氣閉鎖控制回路，新防止高轉速加閘雙重閉鎖控制方案理論上能有效避免人為誤操作，轉速裝置接點誤動作及開出繼電器觸點誤動作所導致高轉速加閘事故的發生。

3 試驗過程及效果

模擬試驗。團隊人員對4號機組加裝該閉鎖功能后，進行閉鎖功能測試。方法：在轉速裝置的轉速信號采樣端接入轉速模擬信號（用信號發生器模擬機組轉速＞25%且＜45%轉速），試驗轉速裝置接點誤動作、人為誤操作以及開出繼電器觸點誤動作4種情況下的閉鎖功能。

操作一：在轉速＞25%時，人為短接轉速裝置＜25%的有源接點，測試閉鎖功能；操作二：在轉速＞25%時，人為短接轉速裝置＜25%的無源接點，測試閉鎖功能；操作三：在轉速＞25%時，人為按下手動頂風閘按鈕，測試閉鎖功能；操作四：在轉速＞25%時，人為短接LCU 頂風閘條件判斷開出繼電器DO86開接點，模擬接點誤接通情況下的閉鎖功能，并記錄成表格，見表1。

表1 4號機風閘高轉速加閘雙重閉鎖功能試驗表

總計風閘誤加閘概率為：0÷（6+6+6+6）×100%=0%。由統計結果可以看出，模擬的4種情況經過多次試驗均未開出制動風閘，完全可以避免發電機風閘因為人為因素、轉速繼電器裝置故障，或者LCU程序開出繼電器DO86接點動作異常所導致的異常高轉速加閘情況的發生，保證發電機組的安全穩定運行。

經濟效益：高轉速加閘事故會使機組軸承、制動環磨損，風閘損壞，產生大量煙塵，造成機組強迫性檢修和慘重的經濟損失。因此，本次風閘高轉速加閘雙重閉鎖功能產生了不可估量的經濟效益。

安全效益：經過加裝風閘高轉速加閘雙重閉鎖功能后，取得的效果顯著，有效解決了因人為誤操作和轉速繼電器裝置故障、LCU 程序開出繼電器DO86故障可能導致的高轉速加閘事故的安全問題，提高了機組正常運行以及開停機的可靠性和安全性，為機組安全發供電提供了保證。

長遠效益：本次技術創新的成果已經在某發電廠4號機、5號機、3號機組中投入使用，后續也將在其他機組改造中加以推廣實施。同時，本次成果的思路也可以應用到其他電氣控制回路上，創新了工作思路，拓展了工作方法。